1、08.2.27(1周)三08.2.29(1周)五11第一章 泥沙特性本章內(nèi)容簡介2泥沙的幾何特性細(xì)顆粒泥沙的物化特性泥沙的重力特性泥沙的水力特性以上各特性的計(jì)算方法21.1.01.1 泥沙的幾何特性 幾何特性：形狀、大小、群體性、xe第一章 泥沙特性31.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)泥沙顆粒的大小通常采樣粒經(jīng)D來表示。xe第一章 泥沙特性等容粒經(jīng)定義：體積與泥沙顆粒容積相等的球體直徑。公式：常用單位：mm算術(shù)平均粒經(jīng)定義：長、中、短軸的算術(shù)平均值。公式：41.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)幾何平均粒經(jīng)xe第一章 泥沙特性定義：長、中、短軸的幾何平均值，相當(dāng)于橢球體

2、的等容粒徑。公式： (橢球體的體積 球體的體積 )篩分粒經(jīng)定義：通過篩分法獲得的粒徑近似值51.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)泥沙粒經(jīng)分級(jí)法xe第一章 泥沙特性f值與粒經(jīng)D的關(guān)系f-3-2-101234567D(mm)8.004.002.001.000.500.250.1250.0630.0320.0160.008常用：f-分級(jí)法，由Krumbein(克倫賓)提出；公式：原因：泥沙粒經(jīng)分布大致呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的特特性特點(diǎn)：可用小的f值變化表示相當(dāng)大的粒經(jīng)變化范圍61.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)泥沙分類分類方式：依據(jù)顆粒大小我國水利工程界分類：一第一章 泥沙特性泥

3、沙顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)(我國水利工程界)粘粒粉沙沙粒礫石卵石漂石粒經(jīng)(mm) 0.005 0.05 2 20 200 | | | | | 1/200 1/20 2 20 200 泥 沙 石71.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線河流泥沙具有群體性，顆粒大小不一，含量多少不等，我們?nèi)绾稳コ浞直硎酒涮匦?，于是提出了粒配曲線(級(jí)配曲線)。xe第一章 泥沙特性粒配曲線：表示天然沙顆粒組成的曲線。81.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線粒配曲線的繪制方法和過程第一章 泥沙特性取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組 Di 泥沙的重量；統(tǒng)計(jì)出小于和等于各粒經(jīng)Di 的沙重，并算出其占總重的百分比p

4、i；準(zhǔn)備半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙(橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)分格，縱坐標(biāo)是普通分格)；以粒經(jīng)Di 為橫坐標(biāo)(對(duì)數(shù)坐標(biāo)，從大到小)，小于和等于粒經(jīng)Di 的沙重百分比pi 為縱坐標(biāo)(普通坐標(biāo))繪制Dp粒配曲線。實(shí)例 (粒配曲線實(shí)例隨PPt.xls)91.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線粒配曲線反映的特性可反映沙樣 顆粒的大小 和范圍；可反映沙樣 組成的均勻 程度。xe第一章 泥沙特性a、b組成較均勻，變化范圍窄，但a 較粗，b較細(xì)。c組成不均勻，變化范圍大，各組粒經(jīng)含量接近。d組成很均勻，變化范圍小。101.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線粒配曲線反映的定量特征值xe第一章 泥沙特性

5、中值粒徑D50：表示大于和小于該粒徑的泥沙重量各占一半(圖)。平均粒徑Dm：按粒經(jīng)組所占重量百分比的加權(quán)平均值粒徑(例) 。2.25end均方差s ：表示泥沙組成的非均勻程度,0均勻，越大越不均勻 。111.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線粒配曲線反映的定量特征值二第一章 泥沙特性均勻沙s =0，DmD50；非均勻沙s 0，DmD50 。分選系數(shù)(非均勻系數(shù))S0：仍表示泥沙組成的非均勻程度，1均勻，越大越不均勻 。Dm與 D50的關(guān)系：121.1.31.1 泥沙的幾何特性 三、泥沙的孔隙率孔隙率與孔隙比第一章 泥沙特性孔隙率n：沙樣中孔隙的體積與沙樣總體積之比。 n=V孔

6、隙/V總 ?？紫侗萫：沙樣中孔隙的體積與沙樣顆粒體積之比。 e=V孔隙/(V總- V孔隙)131.1.31.1 泥沙的幾何特性 三、泥沙的孔隙率天然沙孔隙率的一般規(guī)律三第一章 泥沙特性沙樣越粗，孔隙率越??； 粗砂：3940；中沙：4148；細(xì)沙：44-49；粘土絮凝后可達(dá)90均勻沙的孔隙率最大；形狀圓滑的、棱角不分明的沙樣孔隙率較??；沉積時(shí)間越長，孔隙率越小。141.1.41.1 泥沙的幾何特性 四、泥沙的比表面積比表面積的定義1.1第一章 泥沙特性泥沙顆粒的表面積與其體積之比。比表面積的意義顆粒越小，比表面積越大；反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)大小，其值 越大，物化作用就越大。151

7、.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)性質(zhì)顆粒吸附結(jié)構(gòu)ye第一章 泥沙特性細(xì)顆粒泥沙在含有電解質(zhì)的水中，周圍會(huì)形成雙電層。吸附層：細(xì)顆粒主要成分為粘土礦物，其表面常帶有負(fù)離子，吸引不純凈水中的正離子，這種牢固吸附在顆粒表面周圍的反離子層，稱為。擴(kuò)散層：吸附層離子電荷不足以平衡顆粒表面的全部電荷，因此在吸附層外還有一層反離子層，即。雙電層：吸附層擴(kuò)散層。161.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)性質(zhì)顆粒吸附結(jié)構(gòu)第一章 泥沙特性粘結(jié)水的引力可達(dá)到1萬個(gè)大氣壓，密度可達(dá)1.22.4g/cm3，平均2.0 g/cm3。粘滯水的密度可達(dá)1.31.7/cm3。束縛水的厚度一般

8、0.1mm，最厚可達(dá)2mm。粘結(jié)水：水分子具有極性，因靜電引力作用，吸附層內(nèi)水分子失去自由活動(dòng)的能力而整齊、緊密地排列在一起，這層水稱為。粘滯水：擴(kuò)散層內(nèi)的水分子所受引力較小，水分子排列較稀松，僅有輕微的定向，這層水叫。束縛水：粘結(jié)水粘滯水。細(xì)顆粒泥沙表面負(fù)電荷吸引水分子，周圍會(huì)形成束縛水。171.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)性質(zhì)絮團(tuán)、絮凝一第一章 泥沙特性顆粒間受力：均帶負(fù)電荷相斥；分子引力相吸。一般情況：擴(kuò)散層薄，粒間力凈引力；擴(kuò)散層厚，粒間力凈斥力。兩粘土顆粒相互接近時(shí)，會(huì)形成公共的雙電層。絮團(tuán)：分散細(xì)顆粒相互吸引，聚合成結(jié)構(gòu)松散、類似棉花團(tuán)的較大團(tuán)?；驁F(tuán)塊，稱為。

9、絮凝：細(xì)顆粒泥沙在一定條件下彼此聚合的過程(絮團(tuán)的形成過程)，叫。181.2.21.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 二、絮團(tuán)的壓密特性1.2第一章 泥沙特性191.3.11.3 泥沙的重力特性 一、泥沙的容重和密度密度：單位密實(shí)體積的質(zhì)量 rs= 2.552.75t/m3,平均2.65t/m3容重：單位密實(shí)體積的重量 gs= rs g 平均2.65*9.8=26kN/m3有效容重(密度)系數(shù)：水下相對(duì)有效重量(質(zhì)量)一第一章 泥沙特性201.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度概念ye第一章 泥沙特性干容重：單位松散體積的重量， gs 2.9416.66kN/m3干密度：單位松

10、散體積的質(zhì)量，rs 0.31.7t/m3干容重與孔隙率n的關(guān)系影響干容重的主要因素：泥沙顆粒大小的影響：顆粒越大， gs越大，變化范圍小； 顆粒越小， gs越小，變化范圍大。 如：D0.04mm， gs 0.551.25t/m3 D0.2mm， gs 1.41.7 t/ m3211.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度影響干容重的主要因素：泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚， gs越大，變化范圍越??； 淤積越淺， gs越小，變化范圍越大。二第一章 泥沙特性 如：官廳水庫淤厚10m處，gs 1.471.55 t/ m3 1m處，gs 0.731.30 t/ m3泥沙淤積歷時(shí)的影響：沉

11、積越短， gs越小； 沉積越長， gs越大，然后趨于穩(wěn)定值； 大顆粒穩(wěn)定歷時(shí)短，細(xì)顆粒穩(wěn)定歷時(shí)長。泥沙組成的影響：組成越均勻，孔隙率越大， gs越??； 組成越不均勻，孔隙率越小， gs越大。221.3.31.3 泥沙的重力特性 三、泥沙的水下休止角概念1.3第一章 泥沙特性水下休止角：泥沙在靜水下自然堆積的坡面傾角，f ，ftg f水下休止角f與粒徑D的關(guān)系天津大學(xué)研究，f()與D(mm)有如下關(guān)系(圖)： 水下休止角的其它影響因素：泥沙的粒配泥沙顆粒的形狀231.4.11.4 泥沙的水力特性 一、泥沙沉降的不同形式水力特性主要指沉速，用于懸沙輸移理論、沉沙池設(shè)計(jì)等。xe第一章 泥沙特性沉降的

12、過程 gsg ，初始，重力阻力，加速下沉；沉速增加阻力逐漸增大，而重力恒定，加速度減小；最后，重力阻力，加速度0，泥沙勻速下沉，沉速趨于穩(wěn)定。沉速的定義單顆粒泥沙在靜止的無限大的清水水體中勻速下沉的速度，w，cm/s沙粒雷諾數(shù)定義： 反映泥沙沉降形式的無量剛參數(shù)物理意義：沙粒慣性力與水流粘滯力的對(duì)比 。241.4.11.4 泥沙的水力特性 一、泥沙沉降的不同形式沉降的形式一第一章 泥沙特性層流狀態(tài)下降Red1000, 左搖右擺下沉，顆粒本身也轉(zhuǎn)動(dòng)，周圍水體也紊動(dòng)。過渡狀態(tài)下降 Red=0.51000, 泥沙沉降狀態(tài)處于二者之間。 泥沙沉降形式主要與什么參數(shù)有關(guān)？251.4.21.4 泥沙的水力

13、特性 二、球體的沉速繞流阻力計(jì)算xe第一章 泥沙特性阻力系數(shù)采用對(duì)稱繞流阻力公式：261.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速水下重力計(jì)算xe第一章 泥沙特性沉速的計(jì)算演變?yōu)镃D的計(jì)算！沉速計(jì)算271.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速CD和不同形式的沉速計(jì)算已有的研究成果(圖1-6)：xe第一章 泥沙特性281.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速實(shí)例計(jì)算1xe第一章 泥沙特性291.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速實(shí)例計(jì)算2 (Fig)二第一章 泥沙特性301.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速泥沙并非球體，沉速應(yīng)有所不同，目前存在多家公式。

14、xe第一章 泥沙特性311.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速xe第一章 泥沙特性(D8) (9)計(jì)算過程：D jSa w式(1.31)式(1.32)式(1.30)321.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速xe第一章 泥沙特性331.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速三第一章 泥沙特性341.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素前述理想沉速：xe第一章 泥沙特性單顆粒、靜水、均勻、無限體、清水等，自然界不存在。實(shí)際河流情況：群體、動(dòng)水、非勻速、有界、渾水、含雜質(zhì)、紊動(dòng)等。因此需要一定修正。目前有一定研究成果，主要研究形狀、水質(zhì)、含水量對(duì)沉速的影響，

15、但不很成熟。351.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素泥沙顆粒形狀對(duì)沉速的影響xe第一章 泥沙特性對(duì)于球體：a=b=c, CD=0.45,與前面一樣；對(duì)于偏平體：越偏平，沉速越小。請(qǐng)問：什么形狀的泥沙顆粒沉速最大？泥沙難以量測(cè)形狀，但礫、卵、塊石等存在a、b、c三軸；方位不同，下沉受阻面積及阻力不一樣，自然w不一樣；但通常會(huì)自動(dòng)調(diào)整到與短軸c方向一致，即阻力最大的方向；目前有研究成果：361.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素水質(zhì)對(duì)沉速的影響xe第一章 泥沙特性水質(zhì)對(duì)沉速的影響主要體現(xiàn)在D0.03mm的細(xì)顆粒泥沙；水中雜質(zhì)易使細(xì)顆粒形成絮團(tuán)而成為大顆粒，沉速

16、加大；在含鹽度10時(shí)，含鹽度越大，沉速越大。371.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素含沙量對(duì)沉速的影響xe第一章 泥沙特性粗顆粒：泥沙存在水流粘性增大沉速減??； 附近其它泥沙下沉本水體上升沉速減??； 含沙濃度增大水體比重增大浮力增大沉速減小。 錢寧研究： Batchelor研究：細(xì)顆粒：因與其附近細(xì)顆粒泥沙產(chǎn)生絮凝而使沉速增大，但僅限制在含沙量15kg/m3。381.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素邊界對(duì)沉速的影響近壁沉速遠(yuǎn)壁沉速；近底沉速遠(yuǎn)底沉速；D/B越小，沉速越大有界沉速無界沉速xe第一章 泥沙特性391.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速

17、的其它因素紊動(dòng)對(duì)沉速的影響四第一章 泥沙特性影響原因 紊動(dòng)脈動(dòng)外力不穩(wěn)定渦流沉降打轉(zhuǎn)影響沉速 脈動(dòng)方向和大小不定時(shí)而加速、時(shí)而減速增加額外阻力 紊動(dòng)表面壓力分布變化阻力增大或減小試驗(yàn)研究成果 多數(shù)研究：wS /w1 少數(shù)研究： wS /w1，如塞耶研究得： wS /w1.05401.4.51.4 泥沙的水力特性 五、泥沙粒經(jīng)與沉速的關(guān)系沙玉清根據(jù)實(shí)測(cè)資料列出了沉速與粒經(jīng)、溫度的關(guān)系，應(yīng)用十分方便C1第一章 泥沙特性41習(xí)題第一章 泥沙特性要求掌握的內(nèi)容ye1、 泥沙主要有哪些特性？2、泥沙粒徑的表示方法有哪四種？其中等容粒徑如何計(jì)算？2、何為粒配曲線、中值粒徑和平均粒徑？并掌握繪制方法。3、何為干容重？影響干容重的四個(gè)主要因素是什么？4、沉速是如何定義的？5、泥沙一般分哪三種沉降狀態(tài)？采用什么方法判斷？并掌握球體層流、紊流狀態(tài)的沉降公式。6、